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背景
在JDK1.5
的时候,在新增的 Concurrent 包中,BlockingQueue
很好的解决了多线程中,如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类,为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。
本文详细介绍了BlockingQueue
家庭中的所有成员,包括他们各自的功能以及常见使用场景。分析ArrayBlockingQueue
的底层源码分析。
BlockingQueue 简介
阻塞队列,顾名思义,首先它是一个队列,而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示:
从上图我们可以很清楚看到,通过一个共享的队列,可以使得数据由队列的一端输入,从另外一端输出。
常用的队列主要有以下两种:(当然通过不同的实现方式,还可以延伸出很多不同类型的队列,DelayQueue
就是其中的一种)
先进先出(FIFO):先插入的队列的元素也最先出队列,类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。
后进先出(LIFO):后插入队列的元素最先出队列,这种队列优先处理最近发生的事件。
下面两幅图演示了BlockingQueue
的两个常见阻塞场景:
如上图所示:当队列中没有数据的情况下,消费者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到有数据放入队列。
如上图所示:当队列中填满数据的情况下,生产者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到队列中有空的位置,线程被自动唤醒。
这也是我们在多线程环境下,为什么需要BlockingQueue
的原因。作为BlockingQueue
的使用者,我们再也不需要关心什么时候需要阻塞线程,什么时候需要唤醒线程,因为这一切BlockingQueue
都给你一手包办了。
既然BlockingQueue
如此神通广大,让我们一起来见识下它的常用方法:
BlockingQueue 的核心方法
添加数据:
offer(anObject):表示如果可能的话,将 anObject 加到 BlockingQueue 里,即如果 BlockingQueue 可以容纳,则返回 true,否则返回 false。(本方法不阻塞当前执行方法的线程)
offer(E o, long timeout, TimeUnit unit):可以设定等待的时间,如果在指定的时间内,还不能往队列中加入 BlockingQueue,则返回失败。
put(anObject):把 anObject 加到 BlockingQueue 里,如果 BlockingQueue 没有空间,则调用此方法的线程被阻断,直到 BlockingQueue 里面有空间再继续。
获取数据:
poll(time):取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等 time 参数规定的时间,取不到时返回 null。
poll(long timeout, TimeUnit unit):从 BlockingQueue 取出一个队首的对象,如果在指定时间内,队列一旦有数据可取,则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取,返回失败。
take():取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若 BlockingQueue 为空,阻断进入等待状态直到 BlockingQueue 有新的数据被加入。
drainTo():一次性从 BlockingQueue 获取所有可用的数据对象(还可以指定获取数据的个数), 通过该方法,可以提升获取数据效率;不需要多次分批加锁或释放锁。
常见 BlockingQueue
在了解了 BlockingQueue 的基本功能后,让我们来看看BlockingQueue
家庭大致有哪些成员?
ArrayBlockingQueue 源码分析
构造方法
在ArrayBlockingQueue
中有三个构造方法,常用这两种,另外的这里就不说了,没多意义。
//创造一个队列,指定队列容量就可以了,默认模式为非公平模式
public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
this(capacity, false);
}
////创造一个队列,指定队列容量和指定公平性
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
//这里用的就是重入锁,
//公平性通过fair来判断
lock = new ReentrantLock(fair);
//不为空条件队列,明显就是给消费者用
notEmpty = lock.newCondition();
//没有满条件队列,给生产者用
notFull = lock.newCondition();
}
复制代码
重要属性
//底层数据结构,说明底层存储数据的数据结构是数组
private final E[] items;
//用来为下一个take/poll/remove的索引(出队)
private int takeIndex;
//用来为下一个put/offer/add的索引(入队)
private int putIndex;
//队列中元素的个数
private int count;
/** Main lock guarding all access */
private final ReentrantLock lock;//锁
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;//等待出队的条件
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;//等待入队的条件
复制代码
从这几个属性就能看出来,ArrayBlockingQueue
的底层组成为:
数组
一个重入锁
两个条件队列
入队
add()方法
public boolean add(E e) {
// 调用父类的add(e)方法
return super.add(e);
}
public boolean add(E e) {
// 调用offer(e)如果成功返回true,如果失败抛出异常
if (offer(e))
return true;
else
throw new IllegalStateException("Queue full");
}
复制代码
offer(e)方法入队
入参 e 为 null,会抛空指针异常
元素插入到队尾(putIndex 自增)
唤醒线程
生产者消费者模式
/**
* 在队尾插入一个元素,
* 如果队列没满,立即返回true;
* 如果队列满了,立即返回false
* 注意:该方法通常优于add(),因为add()失败直接抛异常
*/
public boolean offer(E e) {
//检查存入的数据是否为null
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//如果数组满了,返回入队失败
if (count == items.length)
return false;
else {
//入队
enqueue(e);
return true;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
//如果存入的数据是null的会抛控指针异常
private static void checkNotNull(Object v) {
if (v == null) throw new NullPointerException();
}
//putIndex是int类型,默认值就是0
private void enqueue(E x) {
final Object[] items = this.items;
//从下标为0的位置开始放入数据
items[putIndex] = x;
//如果putIndex等于数组大小,证明这是最后一个能存放的,然后把putIndex设置为0
//否则++putIndex
if (++putIndex == items.length){
putIndex = 0;
}
//放入数据个数+1
count++;
/**
* 唤醒一个线程
* 如果有任意一个线程正在等待这个条件,那么选中其中的一个区唤醒。
* 在从等待状态被唤醒之前,被选中的线程必须重新获得锁
*/
notEmpty.signal();
}
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带超时时间的 offer,在队尾插入一个元素,,如果数组已满,则进入等待,直到出现以下三种情况:-->阻塞
被唤醒
等待时间超时
当前线程被中断
put 方法入队
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁,如果线程中断了抛出异常
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length){
//这里就是阻塞了,要注意。如果运行到这里,
//那么它会释放上面的锁,一直等到唤醒
notFull.await();
}
//放入队列
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
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小结
add(e)时如果队列满了则抛出异常;
offer(e)时如果队列满了则返回 false;
put(e)时如果队列满了则使用 notFull 等待;
offer(e, timeout, unit)时如果队列满了则等待一段时间后如果队列依然满就返回 false;
enqueue()利用放指针循环使用数组来存储元素;
出队
take 方法出队
从头部出队
队中没有数据,等待被唤醒再取数据。
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加锁,如果线程中断了抛出异常
lock.lockInterruptibly();
try {
//队列中不存元素
while (count == 0){
/*
* 一直等待条件notEmpty,即被其他线程唤醒
* (唤醒其实就是,有线程将一个元素入队了,然后调用notEmpty.signal()
* 唤醒其他等待这个条件的线程,同时队列也不空了)
*/
notEmpty.await();
}
//否则出队
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private E dequeue() {
final Object[] items = this.items;
// 取取指针位置的元素
E x = (E) items[takeIndex];
// 把取指针位置设为null
items[takeIndex] = null;
// 取指针前移,如果数组到头了就返回数组前端循环利用
if (++takeIndex == items.length)
takeIndex = 0;
// 元素数量减1
count--;
if (itrs != null)
itrs.elementDequeued();
// 唤醒notFull条件
notFull.signal();
return x;
}
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poll 方法出队
太简单了,如果队列里没有数据,就直接返回 null,否则从队列头部出队
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//如果队列里没有数据就直接返回null
//否则从队列头部出队
return (count == 0) ? null : dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
复制代码
remove 方法
public E remove() {
// 调用poll()方法出队
E x = poll();
if (x != null)
// 如果有元素出队就返回这个元素
return x;
else
// 如果没有元素出队就抛出异常
throw new NoSuchElementException();
}
复制代码
小结
remove()时如果队列为空则抛出异常;
poll()时如果队列为空则返回 null;
take()时如果队列为空则阻塞等待在条件 notEmpty 上;
poll(timeout, unit)时如果队列为空则阻塞等待一段时间后如果还为空就返回 null;
dequeue()利用取指针循环从数组中取元素;
总结
1.ArrayBlockingQueue 不需要扩容,因为是初始化时指定容量,并循环利用数组;
2.ArrayBlockingQueue 利用 takeIndex 和 putIndex 循环利用数组;
3.入队和出队各定义了四组方法为满足不同的用途;
4.利用重入锁和两个条件保证并发安全。
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